Un reactor nuclear este un set de dispozitive care conțin combustibil nuclear , care constituie „inima” reactorului, în care o reacție în lanț poate fi inițiată, moderată și controlată de agenți umani și / sau de sisteme automate, prin protocoale și dispozitive specifice fisiunea nucleară . Căldura astfel produsă este apoi evacuat și , eventual , transformată în energie electrică .
În inimă, sub efectul unei coliziuni cu un neutron , nucleul atomic al anumitor atomi mari , numiți fisili , se poate rupe în doi (fisiune), eliberând o cantitate mare de căldură și producând doi sau trei neutroni, fiecare fiind capabil să producând o nouă fisiune la coliziune cu un alt atom (creând potențial o reacție în lanț ). Materialul fisionabil care constituie nucleul reactoarelor este uraniul îmbogățit sau plutoniul , încapsulat în tije grupate împreună în ansambluri de combustibil nuclear sau uraniu natural asamblat în tije (de exemplu în reactoarele RBMK ) sau în grupuri (de exemplu în reactoarele CANDU ).
Aceste reactoare sunt industriale, civile sau militare sau chiar destinate cercetării. În plus, dovezile geochimice mărturisesc existența, în urmă cu aproximativ două miliarde de ani, a unui reactor natural (singurul cunoscut până în prezent): reactorul nuclear natural din Oklo , în Gabon ; o concentrație naturală de metale radioactive a făcut posibilă atingerea criticității acolo și generarea unei reacții în lanț.
Aplicațiile reactoarelor nucleare includ în principal:
căldură care va alimenta o utilizare, cum ar fi producerea de abur pentru a obține un lucru mecanic , producția de energie electrică , producția de apă proaspătă de desalinizare , etc. ; producția de plutoniu în esență pentru uz militar ( bombă atomică ) sau pentru utilizare civilă ( combustibil MOX , deși în prezent se folosește doar reprocesarea plutoniului la fabricarea acestui tip de combustibil); producerea de neutroni liberi sau izotopi radioactivi utilizate pentru cercetare și în medicina nucleară ( reactoare de cercetare ).Principalele aplicații sunt producția de energie electrică și, în al doilea rând, propulsia nucleară navală a navelor, militare ( submarine nucleare , portavioane etc.) sau civili ( în special spărgători de gheață ).
Un reactor nuclear modern are o putere de ordinul 500 - 1.650 MW , cu un factor de sarcină de aproximativ 75%. În 1990 , un reactor avea o capacitate medie de 900 MW , cifră care a crescut la 1.000 MW în 2015. Centralele nucleare franceze au trecut de la 880 MW pentru Fessenheim la 1.495 MW pentru Civaux , până la începerea primului EPR (1.650 MW ) .
Primul reactor nuclear a fost construit în Statele Unite în 1942 , la Universitatea din Chicago , de Enrico Fermi și Leó Szilárd . Se compune dintr-un teanc de 6 tone de uraniu metalic, 34 de tone de oxid de uraniu și 400 de tone de grafit , motiv pentru care este numit teancul atomic . Puterea sa este de numai 0,5 W , dar divergența sa a făcut posibilă consolidarea teoriei mecanismelor fisiunii; Acest reactor a servit și ca instalație pilot pentru a construi reactoarele pentru producerea plutoniului necesar bombei atomice dezvoltate ca parte a Proiectului Manhattan . Din anii 1950, multe reactoare nucleare funcționează în întreaga lume pe principiul fisiunii nucleare pentru a produce electricitate. În ultimii 50 de ani, au fost dezvoltate diverse tehnologii și sectoare de reactoare civile .
În același timp, cercetarea se concentrează pe reactoare care ar funcționa pe principiul fuziunii nucleare . Există două linii principale de cercetare în lume:
Pe partea sovietică , primele reactoare RBMK au fost construite pentru a produce plutoniu militar. Punerea în funcțiune a reactorului Obninsk în 1954 asigură electricitate cu o putere de 5 MW . Poate fi considerat primul reactor de putere nucleară din lume, deoarece este primul proiectat cu un generator optic. Funcționarea sa va dura 48 de ani.
Primul reactor francez de testare a fost construit de Lew Kowarski , Frédéric Joliot-Curie și Jules Horowitz la centrul de studiu Fontenay-aux-Roses ( Hauts-de-Seine ) al Comisiei pentru energie atomică (CEA). Această stivă atomică, numită stiva Zoe , a lansat primul său proces de reacție în lanț nuclear în 1948 . Scopul acestui reactor a fost plasarea Franței în echipa de puteri nucleare prin producerea de plutoniu pentru bomba atomică .
În 1956 , reactorul G1 a fost pus în funcțiune la centrul de cercetare CEA Marcoule : a fost primul reactor francez care a produs nu numai plutoniu, ci și electricitate . Apoi a inițiat sectorul francez al grafitului de uraniu natural (UNGG). Acest lucru va fi repede înlocuit de tehnologia reactoarelor americane cu apă sub presiune (PWR), folosită de Framatome pentru a construi 58 de reactoare (împotriva a nouă reactoare UNGG, primul dintre acestea fiind oprit în 1968 și ultimul în 1994).
Un reactor nuclear cuprinde întotdeauna cel puțin un miez în care are loc reacția de fisiune nucleară, reflectoare și mijloace de control al reacției, un vas metalic și, în final, o incintă de izolare .
Nucleii atomici foarte grei precum uraniul sau plutoniul conțin o mulțime de protoni și sunt instabili. Dacă unul dintre acești atomi foarte grei (de exemplu, uraniul 235 sau plutoniul 239 ) captează un neutron , acesta se transformă într-un nucleu și mai instabil ( 236 U sau 240 Pu) și, în același timp, recuperează o anumită energie.
Nucleul rezultat se împarte foarte repede: fisionează, împărțindu-se în două nuclee principale și eliberând doi sau trei neutroni liberi suplimentari. Acești neutroni suplimentari sunt disponibili pentru alte fisiuni ale nucleului: acesta este principiul reacției în lanț .
Diferența de energie de legare este transformată parțial în energie cinetică a produselor de fisiune. Acestea dau această energie sub formă de căldură prin impact asupra materialului înconjurător. Această căldură este îndepărtată cu ajutorul unui agent frigorific și poate fi, de exemplu, utilizată pentru încălzire sau pentru producerea de energie electrică.
Noii nuclei rezultați în urma divizării se numesc produse de fisiune . În general, au un exces de neutroni și tind să fie radioactivi cu beta - radioactivitate . Când această β - radioactivitate a fost exprimată, acestea au în general o energie de legare mai mare pe nucleon decât vechii atomi grei - și, prin urmare, sunt mai stabile.
Cu cât un neutron este mai lent, cu atât este mai mare probabilitatea ca acesta să fie preluat de un atom de 235 U. Acesta este motivul pentru care neutronii rapizi care provin din reacția de fisiune sunt încetiniți de un moderator . Un moderator este un material care conține multe nuclee atomice foarte ușoare, aproape la fel de ușoare ca un neutron. Neutronii sunt apoi încetiniți de șocurile acestor nuclei atomici ușori până la viteza acestor nuclei moderatori. Conform teoriei mișcării browniene , viteza nucleelor moderatoare este definită de temperatura sa. Prin urmare, vorbim despre termalizarea neutronilor, mai degrabă decât încetinirea neutronilor. Contrar a ceea ce sugerează termenul „moderator”, acesta facilitează și, prin urmare, accelerează reacția.
Un reactor care folosește neutroni termici pentru a efectua fisiunea nucleară se numește [reactor termic], spre deosebire de un reactor rapid care folosește neutroni pentru fisiune care nu au fost încetiniți (de unde și denumirea de reactor rapid cu neutroni ).
Controlul unui reactor nuclear se bazează pe menținerea unei mase critice de combustibil nuclear în centrul reactorului. Pentru a permite un randament mai bun al reactorului, se efectuează o termalizare a neutronilor folosind un moderator . Și pentru a elimina energia termică produsă de reacția în lanț , se folosește un agent de răcire. În cazul unui reactor PWR, apa servește atât ca agent de răcire, cât și ca moderator.
Pentru ca reacția în lanț să nu crească la nesfârșit, trebuie pilotată. Pentru aceasta, se folosește un material absorbant de neutroni. De exemplu, cadmiu , gadoliniu și bor . Din compozițiile chimice ale acestor elemente, de exemplu, se realizează tijele de control ale unui reactor nuclear. Reactorul poate fi controlat prin introducerea sau îndepărtarea acestor tije în miez. Reacția în lanț este menținută în conformitate cu următorul principiu: prin împrejmuirea materialul fisionabil cu un reflector de neutroni, fisiune este promovată, care scade cantitatea necesară pentru a declanșa reacția; pe de altă parte, prezența unui absorbant de neutroni are efectul opus.
Descrierea comportamentului inimii se bazează pe neutronică . Cel mai important parametru al unui reactor este reactivitatea acestuia, este exprimat în „la o sută de mii” (pcm) și face posibilă verificarea faptului că un reactor nu efectuează otrăvire cu xenon .
Xenonul și samariul sunt elemente produse de dezintegrarea radioactivă a doi dintre principalii produși de fisiune emiși de decăderea nucleilor fisibili: iod și prometheum. Sunt prezenți din momentul în care există o reacție nucleară. Xenonul și samariul sunt absorbanți puternici de neutroni. Se spune că otrăvește inima, deoarece prezența lor tinde să sufoce reacția în lanț. În plus, după oprirea reactorului, iodul și prometheul prezente în miez continuă să se dezintegreze, crescând cantitatea de xenon și samariu prezente în miez și, prin urmare, otrăvirea reactorului.
Pentru cei responsabili cu pilotarea reactorului, una dintre principalele preocupări este de a controla efectele acestor otrăvuri, în special în timpul variațiilor de putere. Variațiile de anti-reactivitate furnizate de xenon și samariu sunt apoi urmărite cu interes deoarece provoacă un dezechilibru axial și uneori, se poate observa un dezechilibru azimutal al fluxului nuclear.
Având în vedere că încărcătura de combustibil este cilindrică, că tijele de comandă manevrează vertical de sus în jos și că lichidul de răcire se încălzește ridicând tijele de combustibil, ne putem „imagina” aceste dezechilibre:
În toate cazurile, specificațiile tehnice de funcționare interzic aceste operațiuni și astfel prescriu o acțiune care trebuie luată, cum ar fi reducerea puterii, de exemplu, sau oprirea. Dacă dinamica fenomenului este importantă, protecțiile inițiază oprirea automată a reactorului.
Pentru a corecta dezechilibrul axial, operatorii acționează pe trei parametri:
Reacția nucleară este foarte exotermă. Prin urmare, instalațiile necesită răcire și o izolare termică locală bună.
Chiar dacă reactorul este oprit, activitatea produselor de fisiune continuă să genereze căldură . Puterea acestei călduri reziduale corespunde cu aproximativ 6% din puterea termică nominală în momentul încetării reacției nucleare în lanț, apoi scade și dispare în câteva zile.
Pentru a putea evacua căldura reziduală în caz de urgență, centralele nucleare mențin un sistem de răcire permanent . Dacă un astfel de sistem nu ar funcționa, creșterea temperaturii ar putea duce la o topire a miezului reactorului nuclear. Cu toate acestea, procedurile specifice de conducere vizează reducerea acestui risc cât mai mult posibil.
Cele accidente nucleare cel mai frecvent lucrat pe un simulator, de către operatorii de unitate, sunt accidentul criticality și topitura de bază, precum și pierderea totală de răcire.
Toate condițiile tehnice care permit obținerea și controlul reacției în lanț de fisiune nucleară sunt grupate împreună sub eticheta „sectorul reactorului (nuclear)”.
Diferitele tipuri de reactoare existente în lume în funcție de diferitele aplicații (tipul de reactor este atașat la un anumit producător) sunt astfel grupate împreună după ramura reactorului sau ramura nucleară . Un sistem de reactor este astfel caracterizat prin:
Un sector al reactorului reprezintă un set de alegeri tehnologice care au consecințe foarte grave și foarte antrenante pe o perioadă lungă de timp, de exemplu:
Ciclul combustibilului nuclear este definit de cei trei parametri legați de sectorul reactor (combustibil, moderator, lichidul de răcire).
Prin abuz de limbaj, folosim expresia sectorului reactoarelor cu apă sub presiune (în ceea ce privește reactoarele), incluzând implicit fazele din amonte și din aval ale ciclului. Termenul ciclu de combustibil nuclear se referă în mod explicit la toate fazele.
Sectoarele reactoarelor sunt în general grupate în două grupuri principale care se disting în principal prin calea aleasă pentru a obține condițiile de criticitate din miezul reactorului, deci există:
Aceste aranjamente fac astfel posibilă transformarea atomilor grei non-fissili (în principal uraniul 238 și, de asemenea, toriul 232) în atomi de plutoniu 239 și uraniu 233 fisili. Reactorul este numit apoi „crescător”: la sfârșitul vieții miezului, cantitatea de atomi fisili prezenți este mai mare decât cea instalată inițial în miezul reactorului (cu observația suplimentară că în cazul obținerii de toriu amelioratorul este aproape fezabil în neutroni termici sau cel puțin puternic încetinit).
Clasificările de mai sus se referă în principal la reactoare de mare putere. Există, de asemenea, mai multe categorii de reactoare mai mici, dintre care unele se confruntă cu evoluții majore recente:
Aceste reactoare sunt atipice prin faptul că nu sunt optimizate pentru producerea de energie.
Reactoarele de iradiere sunt utilizate pentru producerea de neutroni liberi, ceea ce permite crearea de izotopi radioactivi, utilizați pentru cercetare și medicină. Un reactor care funcționează produce în jur de 2,5 moli de neutroni pe megawatt termic pe an, ceea ce permite (prin activarea neutronilor) să producă o cantitate de izotopi de același ordin de mărime (dar randamentul real depinde de echilibrul neutronilor și este semnificativ mai mic, de ordinea a 10% din această cantitate). În măsura în care nu se încearcă optimizarea eficienței termice a acestor reactoare, temperatura și presiunea lor de funcționare pot fi menținute la valori foarte scăzute (presiunea atmosferică și mai mică de 100 ° C ), ceea ce simplifică foarte mult funcționarea acestora.
Reactoarele de cercetare pot avea o mare varietate de destinații. Acestea pot fi proiectate pentru a studia comportamentul materiei sub fluxul de neutroni sau comportamentul reactorului în sine în situații atipice (tranzitori de putere, excursii de criticitate, topirea miezului etc.) pe care ar fi evident periculos să le producem în reactoarele industriale.
Reactoare modulare mici Micro-reactoareO primă categorie de micro-reactoare a fost dezvoltată pentru furnizarea de energie sateliților .
Curiosity Rover, care a explorat Marte din 2012, este alimentat cu energie printr - un reactor de peste 100 de wați , folosind 4,8 kg de dioxid de plutoniu; NASA folosise anterior această sursă de energie pentru misiunile lunare Apollo , pentru misiunile vikingilor marțieni și pentru misiunile Pioneer , Voyager , Ulysses , Galileo , Cassini și New Horizons . Roverul Mars 2020 (sonda spațială) va fi, de asemenea, echipat cu un generator termoelectric de radioizotop. Ca parte a „Programului de dezvoltare a jocului”, care susține inovațiile capabile să „revoluționeze misiunile spațiale viitoare”, NASA dezvoltă „Kilopower Reactor Using Stirling Technology” (KRUSTY), un reactor încărcat cu uraniu 235 care transformă căldura în electricitate prin mijloacele motoarelor Stirling. Acest reactor destinat înființării coloniilor extraterestre ar putea încălzi locuințele, reîncărca roverii și transforma resursele, de exemplu gheața în oxigen și apă.
Micro-reactoarele cu putere sub 10 MWe atrag interesul Departamentului Apărării al Statelor Unite (DoD). Legea Națională de Apărare Autorizare adoptată în 2019 de către Congres necesară colaborarea între Statele Unite Departamentul de Energie (DOE) și DoD pentru a construi și un prim comision de micro-reactor de 2027 Institutul pentru Energie Nucleară (NEI) estimează că 90% dintre facilitățile DoD ar putea satisface nevoile lor cu centrale de 40 MWe sau mai puțin. Mai multe produse industriale sunt în dezvoltare: Nuscale, General Atomics, Oklo și Westinghouse. Potrivit unui raport NEI publicat înoctombrie 2018, ar dura mai puțin de 10 ani pentru ca primele micro-reactoare să poată echipa baze militare, înainte de a se extinde apoi la alți clienți (site-uri miniere etc. ).
Pe lângă gruparea tehnică și tehnologică menționată mai sus, la începutul anilor 2000 a apărut o altă clasificare care a clasificat reactoarele nucleare în generații , corespunzătoare diferitelor sectoare tehnologice.
În ianuarie 2016, 441 de reactoare de putere sunt operaționale în întreaga lume și 67 sunt în construcție.
Uniunea Europeană (27 de membri) dispune de 106 reactoare nucleare în 2019 răspândite în 13 de state membre. 26% din energia electrică a zonei este produsă de reactoare nucleare; 52% din această cotă este produsă în Franța, 9,8% în Germania, 8,6% în Suedia, 7,6% în Spania.